JP2019087427A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光指向性の高い発光素子を内部に備えながらも、視認性おいてその方向が制限されない発光装置を提供する。
【解決手段】光指向性を有する発光素子２と、その発光素子２の光指向性に対応する方向に配置され、当該発光素子２の光を拡散する性質を有する光学素子３と、を備える発光装置。さらに、その発光素子２及び光学素子３をともに覆い、発光素子２から光学素子３により拡散される光をさらに広範囲に拡散させるための形状が、内壁側と外壁側の少なくとも一方に形成された光透過材料からなるカバー部材４を備える。そして、光学素子３は、発光素子２からの光を屈折させて拡散させるレンズ、又は拡散させる光拡散部材である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光指向性を有する発光素子を備える発光装置に関する。

特許文献１において、発光ダイオードと光拡散素材及びフレネルレンズを用いて広範囲に視認性を確保できるよう設計された表示灯が提案されている。

特開２０１６−１８４５３２号公報

しかしながら、特許文献１に開示される表示灯は、円周方向に対する視認性を確保するため、円周方向についてムラなく明るくできる一方、他の方向からみた場合には明るさに差が生じるという問題がある。

本発明の課題は、光指向性の高い発光素子を内部に備えながらも、視認性おいてその方向が制限されない発光装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、本発明は、
光指向性を有する発光素子と、
前記発光素子の光指向性に対応する方向に配置され、当該発光素子の光を拡散する性質を有する光学素子と、
を備える発光装置を特徴とする。

本発明によれば、光指向性の高い発光素子を内部に備えながらも、視認性おいてその方向が制限されない発光装置を提供することができる。

本発明を適用した発光装置の一実施形態の構成を示すもので、カバー部材を破断した概略正面図である。 カバー部材の外壁形状を示す斜視図（ａ）と、内壁形状を示す斜視図（ｂ）である。 カバー部材外壁のフレネルレンズの利用範囲を示す拡大図である。 内部に配置する光学素子として拡散板の使用例を示した概略正面図である。 内部に配置する光学素子としてフレネルレンズ的な構造レンズの使用例を示した概略正面図である。 複数の発光素子使用で内部に配置する光学素子として傾斜レンズの使用例を示した概略正面図である。 内部に配置する光学素子として複合型レンズの使用例を示した概略正面図である。 筐体に入力端子を備える発光装置の外観例を示した概略正面図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
（実施形態）
図１は本発明を適用した発光装置の一実施形態としてカバー部材を破断した概略構成を示すもので、１は回路基板、２は発光素子（ＬＥＤ）、３は光学素子（インナーレンズ）、４はカバー部材である。
図示例は、カメラを使った可視光通信の送信装置に用いる発光装置の構造である。この構造は一般的な表示灯でも使える構造である。

図示のように、回路基板１の上に発光素子としてＬＥＤ（発光ダイオード）２が実装されて、このＬＥＤ２は、天頂方向に光の照射方向を向けている。
実施例において、回路基板１は、図示しない本体部である筐体に固定されており、このように、回路基板１を筐体にしっかり固定できるので、落下強度も確保しやすい。

ＬＥＤ２が発光する光は、時系列を伴って輝度若しくは色相が変化するものであり、且つ、その変化は所定の情報を変調した結果である。
なお、ＬＥＤ２は１つでもよく、複数であっても構わない。例えば４つのＬＥＤ２を用いる場合は、その４つのＬＥＤ２を平面視において十字方向に配置する。

ＬＥＤ２の光は、指向性が強く、照射方向の正面に対して強い光が発せされ、正面方向からずれるにしたがって照射輝度が落ちていく。実際には、ＬＥＤ２の光が天頂方向から約６０度ずれると、輝度は５０％近く落ちてしまうため、筐体の上にカバー部材４を装着した発光装置の位置によって大きな輝度差が発生してしまう。

そこで、ＬＥＤ２の上方には、第１のレンズ構造（光学素子）としてインナーレンズ３を配置してある。このインナーレンズ３は、樹脂レンズを使用し、ＬＥＤ２の光を拡散する性質を有しており、構造物として大きなものでなく、落下に対しても十分な強度を持っている。
そして、第２のレンズ構造となるアウターレンズとしてのカバー部材４に対して、ほぼ均等に光を当てる構造となっている。実際には、カバー部材４の天面領域に当たる光を、できるだけ多く側面の上部領域や下部領域に対して振り分ける構造となっている。

図２はカバー部材４の外壁形状と内壁形状を示すもので、光透過材料からなるカバー部材４は、図示のように、その外壁側に横方向に沿った凹部４ａと凸部４ｂが縦方向に交互に形成されていて、内壁側には、縦方向に沿った凹部４ｃと凸部４ｄが横方向に交互に形成されている。

すなわち、カバー部材４の外壁側には、図２（ａ）に示すように、横方向に沿った凹部４ａと凸部４ｂが縦方向に下部の開口部周囲から天頂部まで交互に形成されている。
この横方向に沿った凹部４ａと凸部４ｂは、単純な凹凸形状ではなく、カバー部材４の側面部において、図３に拡大して示すようなフレネルレンズ形状となっていて、カバー部材４の天面付近において、シンプルなかまぼこ状の凹凸形状となっている。

つまり、カバー部材４の側面部では、下部のＬＥＤ２からの光を水平方向に曲げることを目的としているので、横方向に沿った凹部４ａと凸部４ｂは、図３に拡大して示したように、フレネルレンズ形状で上半分弱の構成としている。
また、カバー部材４の天面付近では、下部のＬＥＤ２からの光を単純に拡散することを目的としているので、横方向に沿った凹部４ａと凸部４ｂは、図２（ａ）に示したように、シンプルな凹凸形状としている。

一方、カバー部材４の内壁側には、図２（ｂ）に示すように、縦方向に沿った凹部４ｃと凸部４ｄが下部の開口部周囲から天頂部まで横方向に交互に形成されている。
この縦方向に沿った凹部４ｃと凸部４ｄは、下部のＬＥＤ２からの光を水平方向に拡散させる構造となっている。これにより、カバー部材４の樹脂自体に光拡散剤を含まなくても、ＬＥＤ２が多数の点光源のように表現され、カバー部材４の大きさまで像を広げることができる。
また、カバー部材４の内壁側の凹部４ｃと凸部４ｄを縦方向にしているので、樹脂成形の型を抜きやすくなるといった利点が得られる。

以上、実施形態の発光装置によれば、ＬＥＤ２の光指向性に対応する方向に配置され、当該ＬＥＤ２の光を拡散する性質を有するインナーレンズ３を備えているので、光指向性の高いＬＥＤ２を内部に備えながらも、明るさにムラのない発光装置を提供することができる。

すなわち、ＬＥＤ２の直上にインナーレンズ３を配置して、カバー部材４に対して光の配光を行い、ＬＥＤ２の光の水平方向への拡散と垂直方向への集光を行うため、水平方向以上のどの角度、向きから観察してもほぼ均等な輝度で、大きな像で発光する発光装置を実現することができて、遠距離での視認性（カメラ認識性）を向上させることができる。

さらに、ＬＥＤ２が実装された回路基板１を筐体にしっかり固定できるため、落下強度の強い構造を実現することができる。

そして、カバー部材４の外壁側には、横方向に沿った凹部４ａと凸部４ｂが縦方向に下部の開口部周囲から天頂部まで交互に形成されているので、カバー部材４の側面部では、横方向に沿った凹部４ａと凸部４ｂにより、下部のＬＥＤ２からの光を水平方向に曲げることができる。
さらに、カバー部材４の天面付近では、横方向に沿った凹部４ａと凸部４ｂは、下部のＬＥＤ２からの光を単純に拡散することができる。

また、カバー部材４の内壁側には、縦方向に沿った凹部４ｃと凸部４ｄが下部の開口部周囲から天頂部まで横方向に交互に形成されているので、下部のＬＥＤ２からの光を水平方向に拡散させて、ＬＥＤ２が多数の点光源のように表現でき、カバー部材４の大きさまで像を広げることができる。
なお、カバー部材４の内壁側の凹部４ｃと凸部４ｄを縦方向にしたので、樹脂成形の型が抜きやすくなる。

（光学素子の構成例）
以上において、インナーレンズ３の構造としては用途やコストに合わせて複数のパターンが考えられる。

図４はインナーレンズ３として拡散板の使用例を示したもので、図示のように、ＬＥＤ２の上に、光拡散剤をまぜた樹脂製の拡散板３を配置している。

拡散板３は、その拡散性能を上げると透過率が下がる問題もある。
このため、拡散板３に代えて、同じ形状のレンズ拡散板（Light Shaping Diffusers）を使用してもよい。そのレンズ拡散板は、樹脂の表面を拡散構造とすることで、下方のＬＥＤ２の光を、透過率をあまり落さずに拡散できる。

図５はインナーレンズ３としてフレネルレンズ的な構造レンズの使用例を示したもので、単なる集光レンズではなく、図示のように、表面形状がフレネルレンズと同じようなレンズ形状部３ａを有する薄型の拡散レンズ３にする。
これにより、下方のＬＥＤ２の光を、レンズ形状部３ａを有する薄型の拡散レンズ３でカバー部材４の側面へ配光できる。

図６は複数のＬＥＤ２使用でインナーレンズ３として傾斜レンズの使用例を示したもので、図示のように、複数のＬＥＤ２の場合、片面が凹面３ｂの凹レンズ３を、個々のＬＥＤ２に対応し、それぞれ傾斜して設置する。
これにより、複数のＬＥＤ２の光を、対応する凹レンズ３で光軸を外側にそれぞれ曲げて拡散させることができ、カバー部材４全体の輝度差をなくすことができる。

図７はインナーレンズ３として複合型レンズの使用例を示したもので、図示のように、図６に示した片面が凹面３ｂの凹レンズを複数方向に一体化させた複合型レンズ３とする。
このように、１つのＬＥＤ２でも、その光を、複合型レンズ３の複数の凹面３ｂで光軸を外側にそれぞれ曲げて拡散させることができ、カバー部材４全体の輝度差をなくすことができる。

なお、カバー部材４のどの部分から撮影（観察）されるかが規定されている用途の場合には、インナーレンズ３のつくりを変えることで、その向きを強調させることが可能であり、ＬＥＤ２の発光エネルギーを抑える構造が容易に実現できる。

図８は筐体に入力端子を備える発光装置の外観例を示したもので、図示のように、ＬＥＤ２が内部に配置される本体部である筐体５の外周に、ＬＥＤ２の時系列を伴って発光する光の輝度若しくは色相を変化させる制御のための、例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブルを装填する入力端子５ａが備えられている。
これにより、入力端子５ａに所定のＵＳＢケーブルを装填し、このケーブルを介して入力されたデータを発光装置内部のメモリに記憶させ、このデータによって変調された光を発することにより情報送信する可視光通信の送信装置として用いることができる。
また、入力端子５ａに接続されたＵＳＢケーブルを介して、発光装置に駆動電源を供給したり、発光装置が備える充電池に対し充電したりすることも可能である。

（変形例）
以上の実施形態においては、光指向性を有する発光素子として色の異なる複数のＬＥＤとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の光源を用いてもよい。
また、実施形態では、可視光通信送信装置に用いる発光装置としたが、他に製造装置の稼働状況を示す表示灯や人に注意を促す警告灯などに用いる発光装置であってもよい。
さらに、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を含む。
以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。
付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。
〔付記〕
＜請求項１＞
光指向性を有する発光素子と、
前記発光素子の光指向性に対応する方向に配置され、当該発光素子の光を拡散する性質を有する光学素子と、
を備えることを特徴とする発光装置。
＜請求項２＞
前記発光素子及び前記光学素子をともに覆い、前記発光素子から前記光学素子により拡散される光をさらに広範囲に拡散させるための形状が、内壁側と外壁側の少なくとも一方に形成された光透過材料からなるカバー部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
＜請求項３＞
前記光学素子は前記発光素子からの光を屈折させて拡散させるレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
＜請求項４＞
前記光学素子は前記発光素子からの光を拡散させる光拡散部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
＜請求項５＞
前記光をさらに広範囲に拡散させるための形状として前記カバー部材には、
当該カバー部材の開口部の存在する方向と平行する方向に沿って凹部と凸部が、前記開口部の存在する方向と直交する方向に交互に形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の発光装置。
＜請求項６＞
前記開口部の存在する方向と平行する方向に沿って凹部と凸部が、前記開口部の存在する方向と直交する方向に交互に形成された前記カバー部材の内壁側又は外壁側の一方の壁側に対する他方の壁側には、
前記開口部の存在する方向と直交する方向に沿って凹部と凸部が、前記開口部の存在する方向と平行する方向に交互に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
＜請求項７＞
前記発光素子が発光する光は、時系列を伴って輝度若しくは色相が変化するものであり、且つ、その変化は所定の情報を変調した結果であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の発光装置。
＜請求項８＞
前記発光素子が内部に配置される本体部の外周に、前記発光素子の前記時系列を伴って発光する光の輝度若しくは色相を変化させる制御のための入力端子を備えることを特徴とする請求項７に記載の発光装置

１ 回路基板
２ 発光素子（ＬＥＤ）
３ 光学素子（インナーレンズ、光拡散部材）
３ａ フレネルレンズと同じようなレンズ形状部
３ｂ 凹面
４ カバー部材
４ａ 外壁側の凹部
４ｂ 外壁側の凸部
４ｃ 内壁側の凹部
４ｄ 内壁側の凸部
５ 本体部（筐体）
５ａ 入力端子

Claims (8)

1. 光指向性を有する発光素子と、
   前記発光素子の光指向性に対応する方向に配置され、当該発光素子の光を拡散する性質を有する光学素子と、
   を備えることを特徴とする発光装置。
2. 前記発光素子及び前記光学素子をともに覆い、前記発光素子から前記光学素子により拡散される光をさらに広範囲に拡散させるための形状が、内壁側と外壁側の少なくとも一方に形成された光透過材料からなるカバー部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光学素子は前記発光素子からの光を屈折させて拡散させるレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記光学素子は前記発光素子からの光を拡散させる光拡散部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
5. 前記光をさらに広範囲に拡散させるための形状として前記カバー部材には、
   当該カバー部材の開口部の存在する方向と平行する方向に沿って凹部と凸部が、前記開口部の存在する方向と直交する方向に交互に形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記開口部の存在する方向と平行する方向に沿って凹部と凸部が、前記開口部の存在する方向と直交する方向に交互に形成された前記カバー部材の内壁側又は外壁側の一方の壁側に対する他方の壁側には、
   前記開口部の存在する方向と直交する方向に沿って凹部と凸部が、前記開口部の存在する方向と平行する方向に交互に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
7. 前記発光素子が発光する光は、時系列を伴って輝度若しくは色相が変化するものであり、且つ、その変化は所定の情報を変調した結果であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記発光素子が内部に配置される本体部の外周に、前記発光素子の前記時系列を伴って発光する光の輝度若しくは色相を変化させる制御のための入力端子を備えることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。

Images